当前课程知识点:微积分(先修课) > 第八章 常微分方程 > 8.3 二阶线性常系数微分方程 > 8.3.1 二阶线性常系数微分方程(1)
同学们 大家好
欢迎来到大学先修课
微积分课程
今天我们介绍第八章常微分方程
第三节二阶线性常系数微分方程
在前面我们已经介绍了
几种一阶微分方程的求解方法
从本讲开始
我们将介绍一类特殊的
二阶微分方程
也就是二阶常系数线性微分方程
在这一讲中 我们将学习
线性微分方程解的叠加原理
和二阶常系数
齐次线性微分方程的特征解法
首先我们介绍一下n阶线性微分方程
它的概念以及n阶线性微分方程
解的叠加原理
我们先介绍
n阶线性微分方程的概念
定义3 我们将下面这个形式的微分方程
就称为是n阶线性常微方程
这个方程它具体的表现形式是
anx乘上y的n阶导数
加上an减1x乘上y的n减1阶导数
一直加到a1x乘上y的一阶导数
加上a0x乘上y 等于fx
这个方程的特点是
每一项是牵扯到了自变量x的函数
与未知函数的母阶导数的乘积
在这个方程中
出现的未知函数y
以及y的各阶导数
都是以一次方形式出现的
所谓线性也主要指的是它这个特点
在这个方程中
等号右端的fx
我们将它称为是自由项
当fx恒为零时
方程就称为是n阶齐次线性常微方程
当fx不恒为零时
方程就称为是n阶
非齐次线性微分方程
特别的 如果在这个方程中
我们的系数函数都是常数时
方程就变成了an乘上y的n阶导
一直加到a0乘上y等于fx
这个时候位置函数
及其各阶导数前面的系数
都是常数
这样的方程
我们就称为是n阶常系数线性微分方程
当然常系数线性微分方程
是一种特殊的线性微分方程
下面我们来介绍
n阶齐次线性微分方程解的叠加原理
我们给出有关结论
定理3
如果函数y1x y2x是n阶齐次线性微分方程
它的两个解
α β是两个任意实数
那么函数αy1x加上βy2x
也是这个齐次方程的一个解
关于这个定理的证明
与一阶齐次线性微分方程解的
叠加原理的证明过程是类似的
在这我们不再重复
下面我们给出n阶非齐次线性微分方程
解的叠加原理
定理4如果函数y1x y2x
是非齐次线性微分方程
它的两个解
α β是两个任意实数
那么函数αy1x加上βy2x
就是下面这一个线性微分方程的解
这两个线性微分方程的差别是
等号左端是完全一样的
只是等号右端的右端项
从fx变成了α加β 乘上fx
特别的如果我们取α等1 β等负1
我们就会得到y1x减去y2x
就是它对应的齐次线性微分方程的解
这就给出了非齐次线性微分方程的解
与它对应的齐次线性微分方程的解
之间的关系
这为我们研究非齐次线性微分方程
提供了方便
下面我们来介绍
二阶常系数齐次线性微分方程
它的特征解法
首先我们考虑到方程是
二阶线性常系数齐次微分方程
也就是y′′加上a乘上y′
加上b乘上y等于0
在这ab都是常数
我们为了求这个微分方程的解
我们根据指数函数的导数性质
我们令解的形式是y等于e的λx次方
我们将y等于e的λ的x次方
y′等于λ倍的e的λx次方
y′′等于λ平方e的λx次方
代入上面的齐次微分方程
我们就会得到λ方加上aλ加b
括起来乘上e的λ的x次方等于0
因为e的λx次方不等于0
它就等价于λ的方
加上aλ加b等于0
也就是说只要λ是我们最后得到的
这一个二次代数方程的解
那么我们的y等于e的λx次方
就应该是我们要求的微分方程的解
在这对于这个二次代数方程
我们给它一个专门的名字
定义4
我们称一元二次代数方程
λ方加aλ加b等于0
是微分方程y′′加上ay′加by
等于0的特征方程
特征方程的根
就成为是原来微分方程的特征根
从定义大家可以看出
特征方程跟微分方程从形式上看
就是把未知函数变成了位置量λ
把求导次数
变成了λ乘方次数
根据前面的介绍
我们知道我们要解这个齐次线性微分方程
只要解它的特征方程就可以了
而一元二次方程的求根公式
我们大家是熟悉的
也就是λ等于负a加减根下a方减4b
再除上2
有了特征根之后
我们就可以利用特征根
来构造我们要求解的微分方程的通解
在这特征根与通解的关系
我们用定理的形式给出来
定理5 设λ1 λ2是二阶常系数
齐次线性微分方程的两个特征根
那么我们就会得到特征根
与这个方程通解的关系
下面这几种情况
第一种情况
如果λ1不等于λ2
而且它们都是实数
我们要求的微分方程的通解
就可以表示成C1乘上e的λ1x次方
加上C2乘上e的λ2x次方
第二种情况
如果λ1等λ2
也就是说它一对同时根时
微分方程的通解就可以表述成是
y等于C1乘上e的λ1x
加上C2乘上x再乘上e的λ1x
第三种情况
如果特征方程是一对共和负根
也就是说λ1表示成α加上i乘β
λ2就等于α减去i乘β
这个时候微分方程的通解就是
y等于e的αx次方
乘上括号里面C1cosβx
加上C2乘上sinβx
在这三种情况下
我们都可以根据它的特征根的情况
写出相应的通解的表达形式
也就是说有了特征根之后
我们就解决了微分方程的求解问题
关于这个定理
下面我们给出它的证明
先证第一种情况
根据特征根的定义我们知道
y等于e的λ1x次方
和y等于e的λ2x次方
都是我们考虑的微分方程的解
我们根据齐次微分方程
解的叠加原理
我们知道对任意的实数C1 C2
那么y等于C1e的λ1x方
加上C2乘上e的λ2x次方
也是这个齐次微分方程的解
但是要说这个表达式
给出的是通解
根据二阶微分方程通解的概念
我们需要说明C1 C2
这两个常数是无关的
我们知道在λ1不等于λ2时
e的λ1x次方比上e的λ2x次方
是不会等于常数的
在这个前提下这就说明了
C1和C2这两个常数
不会有关系
这样我们就证明了这个时候
这个微分方程的通解
就是可以表示成y等于C1乘上e的λ1x平方
加上C2乘上e的λ2x次方
这是第一种情况的证明
在这里面用到了
齐次线性微分方程解的性质
也就是叠加原理
用到了微分方程通解的概念
下面我们看第二种情况的证明
我们假设λ1等于λ2都等于λ
那么根据特征根的定义
我们知道y等于e的λx次方
就是微分方程的解
我们为了要求得微分方程的通解
我们也利用变动任意常数法
来进行求解
我们就令y等于Cx乘上e的λx
满足我们要求解的二阶齐次常系数
线性微分方程
也就是y′′加a乘上y′加by等于0
我们将y y′ y′′它的表达式
代入上面这个齐次方程
并整理我们就会得到了
Cx满足的一个方程
也就是C′′x
加上括号里面a加上2倍λ括起来
乘上C′x
再加上括号里面λ方加上aλ再加b
括起来乘上Cx
最后再乘上e的λx次方等于0
首先这个方程
因为e的λx次方 它是不等0的
它就等价于前面
这个中括号里面的表达式等于0
由于λ是特征值
所以λ方加aλ加b是等于0的
同时由于λ是重特征值
实际上a加上2倍λ也是等0的
所以上面这一个C满足的方程
最后就等价于C′′x等于0
我们积分就会得到Cx就等于C1加上C2x
在这C1 C2是两个任意常数
在这我们就得到了y等于C1
加上C2x括起来乘上e的λx次方
就是它有两个任意常数的
二阶微分方程的解
当然 也就是这个二阶微分方程的通解
最后 我们来证明第三种情况
因为λ1 λ2是不相等的
所以根据特征根的定义
我们可以写出y等于e的λ1x次方
和y等于e的λ2x次方
都是这个微分方程的解
我们将λ的表示代入
并且利用负指数的欧拉公式
最后我们就把y等于λ1x
和y等于e的λ2x次方
分别表示成了
e的αx次方乘上cosβx
加上i乘上sinβx
和e的αx次方乘上cosβx
减去i乘上sinβx
这实际上就是我们考虑的
二阶齐次常系数线性微分方程的两个解
因为我们考虑的函数
都是实函数
为了得到实数解
我们利用齐次方程解的叠加原理
将这两个表达式相加除2
和这两个表达式相减除以两倍的i
我们就得到了它的两个实数解
一个就是e的αx次方
乘上cosβx
另外一个就是e的αx次方
乘上sinβx
这也是微分方程的解
而且是实数解
我们再根据叠加原理
就会得出C1乘上第一个表达式
加上C2乘上第二个表达式
也是微分方程的解
而且因为这两个表达式的比值
不是常数所以C1C2是相互独立的
这就是2阶微分方程
它有两个任意常数的解
也是它的通解
这样我们就证明了这个定理中
三种情况下的结论是对的
这样就把我们求解
二阶常系数齐次线性微分方程的问题
转化成了求它的特征根的问题
也就是把求微分方程的运算
转化成了求代数方程的代数运算
这是我们介绍的
线性常系数齐次微分方程的特征解法
下面我们看几道例题
例1 我们求下面这一个微分方程的通解
方程式y′′加上3倍的y′
减去4倍的y等0
这个方程的特征方程
就是λ的方加三倍的λ减4等于0
它的两个特征根分别是1和负4
根据特征根和通解的关系
那么我们要求的这个方程的通解就是
y等于C1乘上e的x次方
加上C2乘上e的负的4倍x次方
这是这个方程的通解
下面我们看第二道例题
我们求微分方程y′′加y′
加y等于0的通解
这也是一个二阶常系数
齐次线性微分方程
它的特征方程
就是λ方加λ加1等于0
这个二次方程的根
分别是负的2分之1加上2分之根3倍的i
和负的2分之1减去2分之根3倍的i
也就是说它是负特征根
所以我们要求的通解就是
y等于e的负的2分之x方
乘上括号里面C1乘上cos2分之根3倍的x
加上C2乘上sin2分之根3倍的x
下面看第三个例题
我们求微分方程
y′′加上4倍y′再加4倍y等于0的通解
这仍然是一个二阶常系数齐次线性微分方程
它的特征方程
是λ方加4倍λ加4等于0
它的特征根是负2
这是一个重根
所以根据特征根与通解的关系
我们所求的通解就是
y等于C1乘上e的负2倍x方
再加上C2乘上X
再乘上e的负2倍的x次方
下面我们看最后一道例题
例4我们已知一个二阶常系数
齐次线性微分方程
它具有两个特解
一个是y等于e的负x次方
另外一个是y等于2倍的e的2x次方
我们来求这个微分方程
这个例题处理的问题
应该是说微分方程求解的反问题
一般的微分方程
是给了方程求解
而这个问题
是给了解求方程
我们知道要求
二阶常系数齐次线性微分方程
实际上就等价于求它的特征方程
而在给定条件下
我们知道这个二阶常系数
齐次线性微分方程
它的两个特征根
分别是λ等负1和λ等2
那么它的特征方程
自然就是λ加1乘上λ减2等于0
也就是λ方减去λ减2等于0
我们根据特征方程跟微分方程的关系
我们将λ用y代替
将方程式用求导的阶数代替
那么我们要求的微分方程就是
y的两阶导
减去y的一阶导
再减去2倍的y等于0
这就是我们要求的微分方程
在这一讲中
我们介绍了线性微分方程
解的叠加原理
和二阶常系数齐次线性
微分方程的特征解法
与一阶线性微分方程的解集合一样
高阶齐次线性微分方程的解集合
对于加法运算与数乘运算都是封闭的
他们的解集合
是一个线性空间
高阶非齐次线性微分方程的通解
可以由它对应的齐次方程的通解
与它的一个特解相加得到
二阶常系数
齐次线性微分方程的特征解法
将微分方程的求解问题
转化成了一元二次方程的求解问题
也就是将微分方程的求解问题
转化成了代数方程的求解问题
特征解法可以直接推广到
n阶常系数齐次线性微分方程
即求解n阶常系数
齐次线性微分方程的问题
可以直接转化为求解它的特征方程
下一讲将介绍二阶常系数
微齐次线性微分方程的
变动任意常数法
谢谢同学们 下一讲 再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试